作者:孙东明等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2021/7/8 21:55:50
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构建超灵敏光电探测器的新思路

 

近期,中国科学院金属研究所(以下简称金属所)科研团队与国内多家单位的科研团队合作,提出了一种提高光增益的新方法。7月2日,相关研究成果以《一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管》为题在线发表于《自然—通讯》。

据了解,由于具有原子级厚度及独特的能带结构,二维半导体材料在光电器件应用领域展现出独特的优势。然而,二维材料通常光吸收较弱,且在光电转换过程中,一个入射光子只能激发一个电子—空穴对,导致器件的光探测能力不高,因此提高光增益性以提高探测灵敏度一直是研究的热点问题。

一般来说,提高光增益主要有雪崩和光栅两种方式:雪崩机制对材料能带的匹配要求苛刻,且需在高偏置电压下工作。而光栅机制由于电荷弛豫效应,会导致光电响应速度显著降低。科研团队通过选择合适沟道和电极材料进行能带匹配,使其在光照下晶体管源、漏端的势垒降低并形成正反馈,从而获得了超高灵敏度的二维材料光电探测器。

科研团队使用二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼为电极材料,在晶体管源端和漏端形成了二硫化钼/氧化钼双异质结,构筑了具有不同种类源漏电极的光电晶体管,其中氧化钼为电极的器件光响应是金属电极(Ti/Au)器件的3~4个数量级。

结合对材料能带结构的光学表征和理论计算,科研团队还提出了双异质结光致势垒降低机制的器件工作原理,即在暗态下氧化钼—二硫化钼异质结形成大的肖特基势垒,源端电子无法注入到沟道中,实现了超低暗电流和噪声。在光照条件下,电子—空穴对在源端耗尽区生成,随后在内建电场驱动下高效分离,载流子的浓度变化导致了源端电子势垒的降低,实现了电子注入和光增益;注入的电子又可降低漏端电子势垒,增大光电流,而这又进一步增强源极内建电场,从而实现了双异质结间的正反馈效应,获得了超高响应度和探测度。同时由于不使用陷阱束缚电荷,器件还具有高响应速度。

金属所科研团队负责人介绍,这项工作提出了一种具有普适性意义的提高光电探测器增益的方法,可推广至其他二维材料体系,为未来构建超灵敏光电探测器开辟了新思路。(来源:中国科学报 沈春蕾 )

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24397-x

 
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